-
Die vorliegende Erfindung betrifft die Kontaktierung von Leichtmetallleitungen, insbesondere Leichtmetalllitzen, wie Aluminiumlitzen, welche vor allem in Kraftfahrzeugen elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen. Ebenso werden derartige Leichtmetallleitungen für die Erdung von elektrischen Systemen verwendet. Im Besonderen betrifft sie dabei ein Verfahren zum Kontaktieren einer Litzenleitung, umfassend Einzeldrähte aus Leichtmetall mit einem Kontakt, umfassend einen Kontaktabschnitt. Als Leichtmetall kommen beispielsweise Aluminium, Magnesium, Titan oder deren Legierungen in Betracht.
-
Vor allem in Kraftfahrzeugen besteht seit längerem der Wunsch, aus Gründen der Gewichtsersparnis sowie der Substitution teurer Metalle durch kostengünstigere Alternativen, elektrische Leitungen aus Leichtmetall, wie etwa Magnesium oder Aluminium sowie deren Legierungen, zu fertigen. Bei der elektrischen Kontaktierung dieser Leichtmetallleitungen, die insbesondere in Kraftfahrzeugen über einen langen Zeitraum von vielen Jahren einer dynamischen Belastung unterworfen sind, treten jedoch insbesondere aufgrund der Kaltfließneigung des Materials, d. h. der Neigung von Leichtmetallen, wie etwa Aluminium und Magnesium, mechanische Spannungen im Gefüge auch bei niedrigen Temperaturen abzubauen, sowie aufgrund einer vor allem bei Aluminiumlegierungen auf den Oberflächen der Aluminiumlegierung vorliegenden Oxidschicht und schließlich aufgrund der Gefahr elektrochemischer Korrosion im Verbindungsbereich der Leichtmetallleitungen mit den üblicherweise aus edleren Metallen wie etwa Kupfer gefertigten Kontakten in Anwesenheit von Elektrolyten Probleme hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Kontaktierung auf. Es besteht somit seit langem das Bedürfnis, eine dauerhaft beständige Kontaktierung einer Leichtmetalllitze mit den Kontakten auch unter den gegebenen Umständen bereitzustellen.
-
Um diesem Problem entgegen zu treten, schlägt die
DE 10 2008 031 588 A vor, eine Kupferhülse mit rundem Querschnitt auf frei liegende Einzeldrähte aufzuschieben und in einem Kaltschweißverfahren mit den Einzeldrähten zu verbinden und gleichzeitig unter Druckeinwirkung zu verformen. Im Anschluss wird die derart aufgebrachte Hülse auf eine Verbindungsfahne des Kontakts aufgebracht und mit dieser verbunden.
-
Des Weiteren ist aus der
DE 10 2007 026 707 B3 ein Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von Litzen mit einem U-förmigen Träger bekannt. Dabei werden die Einzellitzen zunächst in dem U-förmigen Träger platziert und im Anschluss sowohl untereinander als auch mit dem U-förmigen Träger durch Verdichten und Verschweißen mittels einer Ultraschallsontrode verschweißt. Ferner offenbart die
WO 2010/066376 A1 das stoffschlüssige Verbinden einer Kupferfolie mit Aluminiumlitzen eines Litzenleiters. Im Anschluss wird ein Kontakt durch eine herkömmliche Crimpverbindung elektrisch mit dem Litzenleiter verbunden.
-
Obwohl das in der
DE 10 2008 031 588 A beschriebene Verfahren bereits zufriedenstellende Ergebnisse liefert, bestanden Bestrebungen das Verwahren hinsichtlich des erzielbaren Kontakts zwischen Kontakt und Einzeldrähten sowie der Einzeldrähte untereinander zu verbessern und die Steuerbarkeit des Verfahrens zu erleichtern.
-
Diese Problemstellung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die Einzeldrähte der Litzenleitung separat und ohne das Vorsehen einer Hülse, d. h. in einem frei liegenden Abschnitt, zu verdichten bzw. kompaktieren und zu verschweißen. Ohne das Vorsehen der Hülse kann ein dichterer Verbund der Einzeldrähte und damit ein verbesserter Kontakt der Einzeldrähte untereinander erzielt werden. Darüber hinaus handelt es sich bei den Einzeldrähten um einheitliches Material, wodurch der Verdichtungs- und Schweißprozess deutlich einfacher steuerbar ist. Ferner kommt das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit deutlich weniger Bauteilen als in der
DE 10 2008 031 588 A vorgeschlagen aus. Insbesondere ist es sogar möglich herkömmliche Kontakte mit Kontaktcrimp und gegebenenfalls Isolationscrimp für dieses Verfahren zu verwenden, was einen deutlichen Kostenvorteil mit sich bringt.
-
Dementsprechend beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kontaktieren einer Litzenleitung, umfassend Einzeldrähte aus Leichtmetall mit einem Kontakt, umfassend einen Kontaktabschnitt. Die Einzeldrähte können z. B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sein. Es sind aber auch andere Leichtmetalle denkbar. Die Litzenleitung kann neben den Einzeldrähten, die im Kern angeordnet sein können, eine umgebende Isolation und etwaige Zwischenschichten zwischen den Einzeldrähten und der Isolation, z. B. Abschirmungen etc., umfassen. Der Kontakt kann beispielsweise ein herkömmlicher Kupferkontakt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sein. Es sind aber auch andere Materialien für den Kontakt, wie z. B. Leichtmetalle, denkbar. Ferner kann als Kontaktabschnitt ein herkömmlicher Kontaktcrimp vorgesehen sein. Neben dem Kontaktcrimp kann der Kontakt darüber hinaus auch einen Isolationscrimp umfassen, der durch Umformen bei der Konfektionierung an die Isolation der Litzenleitung angelegt und/ oder in diese eingepresst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren führt in einem ersten Verfahrensschritt die Kompaktierung bzw. Verdichtung und Verschweißung der Einzeldrähte aus. Hierfür wird beispielsweise ein Teil der Einzeldrähte an einem Ende der Litzenleitung frei gelegt, z. B. durch Entfernen der Isolation. Dieser freiliegende Teil wird, wie oben erwähnt, ohne zusätzliche Elemente, z. B. Hülsen, in einer entsprechenden Vorrichtung verdichtet und verschweißt, um einen Kontaktierungsabschnitt zu bilden. Dabei gehen die Einzeldrähte einen dichten Verbund ein, wobei die Oxidschichten zwischen den einzelnen Einzeldrähten aufgebrochen werden. Die Einzeldrähte werden auch miteinander verschweißt, so dass aus den Einzeldrähten im Wesentlichen ein Materialblock mit wenigen oder gar keinen Lufteinschlüssen entsteht, wodurch die Nachbildung von Oxidschichten vorteilhaft vermindert oder ausgeschlossen werden kann. So wird die Querleitfähigkeit erhöht. Im Anschluss werden die so verdichteten und verschweißten Einzeldrähte, d. h. der Kontaktierungsabschnitt, auf dem Kontaktabschnitt des Kontakts positioniert und der Kontaktierungsabschnitt mit dem Kontaktabschnitt verschweißt, um eine elektrische Verbindung zwischen Kontakt und den Einzeldrähten der Litzenleitung (bzw. den aus den Einzeldrähten erzielten Materialblock) herzustellen. Durch die Erfindung wird ein einfaches und leicht steuerbares Verfahren geschaffen, mit dem eine gute Querleitfähigkeit im Ende der Litzenleitung ohne wesentliche Lufteinschlüsse und das damit verbundene Risiko der Oxidbildung erzielbar ist. Folglich kann eine zuverlässige und dauerhafte Kontaktierung zwischen Kontakt und Litzenleitung erzielt werden, bei dem eine gute mechanische Verbindung gewährleistet ist.
-
Wie Eingangs bemerkt wird im Wesentlichen das Kontaktieren einer Litzenleitung aus Leichtmetalllitzen beschrieben. Für einen Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass ein derartiges Verfahren auch an andere, herkömmliche Litzenleitungen aus z. B. Kupfer, angewandt werden kann.
-
Vorteilhafterweise werden die Einzeldrähte zu einem Kontaktierungsabschnitt mit rechteckigem Querschnitt verdichtet und verschweißt. Ein rechteckiger Querschnitt hat sich dabei insbesondere bei Verwendung von Ultraschallschweißverfahren zum Kompaktieren und Verschweißen der Einzeldrähte als besonders vorteilhaft erwiesen. Darüber hinaus weist ein rechteckiger Querschnitt eine relativ große planare Fläche auf, die in Verbindung mit einer planaren Fläche eines Kontaktabschnitts (siehe später) zu einem großflächigen und vorteilhaften Kontakt führt. Im Gegensatz dazu ist die Kontaktierung bei Kontaktierungsabschnitten mit kreisförmigem Querschnitt selbst bei entsprechend geformtem Kontaktabschnitt nur punktuell möglich.
-
Wie es eingangs erläutert wurde, ist es bei der vorliegenden Erfindung insbesondere möglich Standardkontakte zu verwenden, z. B. Standardkupferkontakte, die einen Kontaktabschnitt mit gekrümmtem, im Allgemeinen U-förmigem, Querschnitt aufweisen. Solche Kontaktabschnitte werden auch als Kontaktcrimp bezeichnet und dienen bei der herkömmlichen Konfektionierung von Kupferlitzen zum Aufcrimpen des Kontaktabschnitts auf das frei liegende Leitungsende. Durch Umformen dieses gekrümmten, insbesondere U-förmigen, Querschnitts bei der vorliegenden Erfindung, beispielsweise mittels eines Stempels vor dem oder beim Positionieren des Kontaktierungsabschnitts auf dem Kontaktabschnitt des Kontakts, kann ein solcher Standardkontakt für verschiedene Litzenleitungen verwendet werden. Eine Anpassung an den Querschnitt der Litzenleitung erfolgt vorzugsweise erst durch die Umformung beim Konfektionierer, der in der Regel nicht Hersteller des Kontakts ist. Dadurch können die Lagerhaltungskosten für unterschiedlich gestaltete Kontakte deutlich reduziert werden. Darüber hinaus ist es möglich mit nur einem Schweißwerkzeug unterschiedliche Leitungsquerschnitte mit dem entsprechenden Kontakt zu verbinden, was die Werkzeugkosten reduziert. Weiterhin ist es aber auch möglich, dass bereits der Kontakthersteller den Kontakt entsprechend der Querschnittsform anfertigt und den Crimpkontakt vorzugsweise als Passung zur Leitung dem Konfektionierer bereitstellt.
-
Besonders bevorzugt ist dabei eine Umformung, bei der eine planare Auflagefläche für den Kontaktierungsabschnitt entsteht. Z. B. wird ein Stempel in das oben offene „U“ bzw. zu der nach oben offene Krümmung eingeführt und ein unterer Abschnitt der Krümmung bzw. des „U“ flach gedrückt, um die planare Auflagefläche zu bilden. Insofern kann die planare Auflagefläche in Quererstreckung breiter gestaltet sein als die entsprechende Auflagefläche des Kontaktierungsabschnitts, um so verschiedene Querschnitte aufnehmen zu können, so dass ein und derselbe Stempel für verschiedene Leitungsquerschnitte einsetzbar ist. Darüber hinaus bildet insbesondere die Kombination planare Auflagefläche und rechteckiger Querschnitt des Kontaktierungsabschnitts eine große Kontaktfläche und führt damit zu einer verbesserten Kontaktierung.
-
Selbstverständlich können auch andere Formen für den Litzenleiter und den Kontakt gewählt werden, wobei zu beachten ist, dass der Kontaktcrimp und der kompaktierte Litzenleiter so passend zueinander geformt sind, dass ein größt-mögliches Anliegen des kompaktierten Litzenleiters an den Kontakt gegeben ist. Somit wäre es prinzipiell auch möglich, dass im Querschnitt der Kontaktcrimp halbrund mit einem Durchmesser X geformt ist, wobei der Litzenleiter zumindest abschnittsweise ebenfalls mit einem Durchmesser X rundförmig kompaktiert ist und somit eine große Anlagefläche gebildet wird. Alternativ wäre auch eine ovale Querschnittsfläche der kompaktierten Litzen mit entsprechend geformtem Kontakt möglich
-
Nach dem Kontaktieren kann der Kontaktabschnitt gegebenenfalls weiter umgeformt, z. B. um den Kontaktierungsabschnitt geschlagen, gecrimpt und/oder beschnitten werden. Beispielsweise auf einen Isolationscrimp eines Kontakts kann während des Betriebs verzichtet werden, so dass die Flanken des Isolationscrimps beschnitten werden.
-
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, den Kontaktbereich zwischen Kontaktierungsabschnitt und Kontaktabschnitt zu versiegeln, um dadurch ein nachträgliches Oxidieren weiter zu vermeiden.
-
Ferner kommen vorzugsweise beim Verschweißen der Einzeldrähte und/oder dem Verschweißen des Kontaktierungsabschnitts mit dem Kontaktabschnitt Ultraschallschweißverfahren oder Widerstandsschweißverfahren zum Einsatz. Insbesondere beim Ultraschallschweißen ist die Verwendung eines Kupferkontakts ohne Beschichtung vorteilhaft. Des Weiteren kann eine Oberflächenbehandlung, beispielsweise das Entfernen einer Zinnschicht oder das Herstellen einer Oberflächenstruktur mittels Plasmabeschuss, Laser oder Fräsen vorgesehen sein.
-
Darüber hinaus ist es bevorzugt den gesamten Verfahrensablauf, insbesondere umfassend die Schritte Verdichten und Verschweißen der Einzeldrähte wie auch Verschweißen des Kontaktierungsabschnitts mit dem Kontaktabschnitt gegebenenfalls bis hin zur Versiegelung unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen, ohne dass der Kontaktierungsbereich beginnend mit der Verdichtung und Verschweißung der Einzeldrähte bis hin zum Verschweißen des Kontaktierungsabschnitts mit dem Kontaktabschnitt und gegebenenfalls Versiegeln mit Sauerstoff in Verbindung kommt. Dies führt ferner dazu, dass keine nachträgliche Oxidierung der aufgebrochenen Oxidschichten bei der Verwendung von z. B. Aluminiumlitzen auftritt.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der obigen Merkmale umgesetzt werden können, es sei denn sie widersprechen einander, sind der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu entnehmen. Diese erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen
- 1 schematisch den Verfahrensschritt Verdichten und Verschweißen der Einzeldrähte zeigt;
- 2 schematisch den Verfahrensschritt Umformen des Kontaktabschnitts zeigt; und
- 3 schematisch eine Litzenleitung und einen Kontakt nach dem Verschweißen des Kontaktierungsabschnitt mit dem Kontaktabschnitt zeigt.
-
1 zeigt linker Hand eine Aufsicht auf ein Ende einer Litzenleitung 10. Die Litzenleitung 10 weist eine Vielzahl von Einzeldrähten 11 auf. Die Einzeldrähte 11 sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Die Einzeldrähte 11 sind ferner von einer Isolation 12 umgeben.
-
In einem ersten Verfahrensschritt wird die Isolation 12 an einem Ende der Litzenleitung entfernt, so dass die Einzeldrähte 11 frei liegen. Im Anschluss wird dieser frei liegende Abschnitt in einer Ultraschallschweißvorrichtung positioniert und die Einzeldrähte 11 werden zur Bildung eines Kontaktierungsabschnitts 13 verdichtet und verschweißt (Schritt S1). Dadurch erhält das frei liegende Litzenleitungsende einen rechteckigen Querschnitt mit zwei kurzen und zwei langen Seiten, wobei im Bereich einer der langen Seiten eine planare Kontaktierungsfläche 14 ausgebildet wird. Es sind selbstverständlich auch quadratische Querschnitte, Parallelogramme, Trapeze, etc. denkbar. Es ist anzumerken, dass 1 diesbezüglich lediglich eine schematische Darstellung ist und die zwischen den, die Einzeldrähte 11 darstellenden Kreisen nach dem Verdichten und Verschweißen vorteilhafterweise keine Zwischenräume mehr vorhanden sein sollten. Vielmehr schmilzt das Material der Einzeldrähte. Im Schritt S1 werden dabei Oxidschichten, die auf den Oberflächen der Einzeldrähte 11 vorhanden sind, aufgebrochen und eine Querleitfähigkeit der Einzeldrähte 11 zueinander hergestellt. Indem keine Zwischenelemente zwischen den Einzeldrähten 11 und der Ultraschallschweißvorrichtung positioniert werden, insbesondere keine Hülse auf das Litzenende aufgeschoben wird, lässt sich das Schweißverfahren deutlich leichter steuern, da lediglich ein Material (Aluminium oder Aluminiumlegierung) vorliegt. Des Weiteren ist es dadurch möglich die Einzeldrähte 11 besser zu verdichten und damit Lufteinschlüsse zwischen den einzelnen Einzeldrähten 11 zu vermindern, wenn nicht gar auszuschließen.
-
2 zeigt eine Aufsicht auf einen Kontaktabschnitt eines Kontakts. Bei dem Kontakt kann es sich beispielsweise um einen Stecker, einen Kabelschuh oder ein vergleichbares zur Kontaktierung gedachtes Element handeln. Diese sind jedoch in den Zeichnungen nicht dargestellt. Bei dem Kontaktabschnitt handelt es sich um einen Standardkontaktabschnitt, insbesondere einen Kontaktcrimp 21. Dieser Kontaktcrimp 21 weist in der dargestellten Ausführungsform eine U-Form auf, die sich aus zwei Schenkeln 22 und einem die Schenkel 22 verbindenden gekrümmten Abschnitt 23 zusammensetzt. Durch Einbringen eines Stempels 30 wird der U-förmige Querschnitt zu einem oben offenen Trapez mit entgegengesetzt geneigten Schenkeln 22 und einem planaren Abschnitt 24 verformt (Schritt S2). Dabei wird eine planare Auflagefläche 25 gebildet.
-
In einem nächsten Verfahrensschritt wird der im Schritt S1 hergestellte Kontaktierungsabschnitt 13 mit seiner planaren Kontaktierungsfläche 14 auf der Auflagefläche 25 des Kontaktabschnitts 20, die im Schritt S2 ausgebildet wurde, positioniert (Schritt S3).
-
Im Anschluss erfolgt z. B. mittels Ultraschallschweißen das Verschweißen des Kontaktierungsabschnitts mit dem Kontaktabschnitt, insbesondere der Kontaktierungsfläche 14 mit der Auflagefläche 25 (Schritt S4). Durch die großen Kontaktflächen zwischen den Flächen 14 und 25 kann dabei ein zuverlässiger Kontakt erreicht werden.
-
Schließlich können die Schenkel
22 und gegebenenfalls ein Teil
26 der Auflagefläche
25 durch Beschneiden entfernt werden (Schritt
S5) und gegebenenfalls eine Versiegelung (Schritt
S6), wie sie z. B. aus der
DE 10 2008 031 588 A bekannt ist, vorgenommen werden.
-
Selbstverständlich ist es möglich, dass ein Beschneiden des Kontakts, insbesondere des Isolationscrimps, bereits während eines vorhergehenden Bearbeitungsschritts durchgeführt wird.
-
Vorteilhafterweise findet dabei das Verfahren vom Schritt S1 bis zum Schritt S4, vorteilhafterweise jedoch bis zum Schritt S6, unter Schutzgasatmosphäre statt. Dadurch kann verhindert werden, dass sich während dem Verfahren neue Oxidschichten bilden und auch ein Sauerstoffeinschluss in der Versiegelung kann zuverlässig ausgeschlossen werden.
-
Durch das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren wird ein leicht steuerbares Verfahren mit einer guten Querleitfähigkeit zwischen den Einzeldrähten 11 geschaffen.
-
Darüber hinaus kann aufgrund der großen Auflagefläche zwischen dem Kontaktierungsabschnitt und dem Kontaktabschnitt ein guter Kontakt hergestellt werden.
-
Zusätzlich kann durch die Umformung eines Standardkontaktabschnitts eines Kontakts, z. B. eines Kontaktcrimps, ein Standardkontakt verwendet und an verschiedene Leiterquerschnitte angepasst werden, wodurch nur ein Kontakt vorgehalten werden muss, dieser aber für verschiedene Leitungsquerschnitte eingesetzt werden kann. Dies reduziert die Lagerhaltungskosten. Darüber hinaus können für verschiedene Leitungsquerschnitte und Kontakte die gleichen Werkzeuge zum Umformen wie auch Schweißen verwendet werden, wodurch die Werkzeugkosten reduziert werden.
